如何降低嵌入式医疗电子应用中的功耗
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摘要：在设计任何电子设备时，低功耗都是追求的目标之一。就便携式医疗设备而言，实现功耗目标是成功开发产品的关健因素。通过在单个器件中以更高集成度集成多种功能的高级半导体，设计人员可以极大地缩小医疗设备的尺寸，同时通过降低医疗应用(包括植入式设备、便携式设备、家用设备和安全设备)中的功耗来延长它们的寿命。本文将说明设计人员如何利用单片机(MCU)的高级功耗管理功能来降低医疗应用中的功耗。 降低功耗所涉及的设计问题系统设计人员面临着紧凑式和便携式医疗电子设备提出的许多挑战。为低功耗器件设计电源可能会非常棘手，因为设计人员需要考虑系统的电压/电流需求。在许多低功耗应用中，电池是主要电源，在化学性质、性能、容量、尺寸/重量和成本等方面对设计人员提出了许多挑战。例如，高容量电池的内阻较高，这使它们不适合于大电流应用。而与尺寸类似的高内阻电池相比，适合于大电流应用的电池通常容量较低、重量较大。此外，只能放电的原电池的容量要远高于可充电电池。由于存在这些限制，设计人员需要针对特定系统来制定策略，以在成本和性能方面达到最佳效果。 静态功耗是一项重要的品质指标，可以指示MCU在低功耗应用中的适用情况。对于一些采用高级处理技术的MCU，在休眠模式下耗用的电流可低于50nA。为了能够适应各种低功耗设计，有一点非常重要，即MCU能在很宽的电压范围内工作。例如，在使用碱性电池时，它需要能够工作于l.SV，因为每节电池的端电压为0.9v，且在应用中通常使用两节电池。选择可在宽电压范围内工作的MCU可以延长便携式设备的使用寿命。但是，MCU的工作电压范围并不是唯一的决定因素。整个系统的工作电压范围都必须考虑，包括MCU的外设。如果系统中的某个单一外设需要消耗大部分的功率，降低MCU的功耗对系统总功耗几乎没有什么影响。 作为一个设计规则，如果系统使用了MCU的内部外设(如模数转换器或EEPROM)，则必须注意它的工作范围。如果某些外设无法在MCU的整个工作电压范围内工作，则系统的工作电压范围将由外设决定。同一设计规则也适用于所有外设。在下面几节中，将介绍当前市场上推出的一些MCU系列产品如何提供用于功耗管理的特殊功能。 降低功耗的方法 控制外设的功耗 便携式嵌入式系统功耗管理的核心原则是让MCU能够控制内部和外部设备的功耗。设计便携式医疗设备时，先确定必需的物理模式或状态，然后对设计进行分割，以关闭不需要的电路。例如，在电池应用中不需要欠压复位(BOR)功能，因此可以通过禁止该功能来节省功耗。针对这一目标，从许多不同供应商中选择合适的MCU可以帮助减少外部元件和降低成本。如前面所述，可在宽电压范围内工作的MCU可以使系统设计多样化。 以一个基于MCU的医疗数据记录仪为例，它包含了传感器、EEPROM和电池，如图1所示。该医疗设备是低功耗嵌人式设计的典型示例，它可以获取传感器读数、换算传感器数据、将数据存储到EEPROM，并等待下一个传感器读数。在传统的系统中，可能随时都在为EEPROM、传感器及其偏置电路供电，但这样电源使用效率不高。那么，怎样节省类似系统的功耗呢?答案在于在不需要这些外设时通过程序控制来关闭它们。在给出的示例中，设计人员可以使用MCU的1/0引脚和几个字节的代码根据需要来为EEPROM和传感器供电。因为1/0引脚可提供最高20mA的电流，不需要提供额外的元件来开关电源。
图1基于MCU的医疗数据记录仪应用实例 功耗管理模式 在嵌入式应用中，节省功耗的一种常见方式是，在系统对MCU的资源需求很低时，定期将MCU置为休眠模式。然后，要执行有用工作时，通过中断或在看门狗定时器计时期满之后唤醒系统的MCU。让MCU处于休眠模式的时间越长，应用的平均功耗就越低。只需要确保看门狗的延时周期适于应用。通常，工作方式如下：如应用需要MCU每隔一段固定的时间处理一次采样数据，看门狗定时器应在所需的时间周期内将MCU唤醒一次。使用该功能时，需选择支持相应看门狗周期的MCU。 |
